JP3933052B2 - 圧縮比と空燃比と過給状態とを切り換えながら運転される内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の圧縮比と空燃比と過給状態とを適切に変更する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、小型でありながら比較的大きな動力を出力可能という優れた特性を備えていることから、自動車や船舶、飛行機など各種の輸送機関の動力源として、あるいは定置式の各種機器の動力源として広く使用されている。これら内燃機関は、燃焼室内で圧縮した混合気を燃焼させ、このときに発生する燃焼圧力を機械的な仕事に変換して、動力として取り出すことを動作原理としている。こうした内燃機関の開発では、機械的仕事への変換効率（熱効率）の向上や、あるいは最大出力の増加を目的として大きな労力が投入され、種々の技術が提案されてきた。
【０００３】
熱効率を向上させるために開発された技術の一つに、圧縮比を可変とする技術がある。一般に内燃機関には、熱効率が最も高くなる理論上の最適な圧縮比が存在することが知られているが、実際の内燃機関では、圧縮比を高くするとノッキングと呼ばれる異常燃焼が発生し易くなるので、これを避けるために、通常は、最適な圧縮比よりも低めの値に設定されている。しかし、ノッキングの発生し易さは運転条件に応じて異なっているので、圧縮比を変更可能とし、ノッキングを起こさない範囲で運転条件に応じて最適な圧縮比に近づけてやれば、内燃機関の熱効率を向上させることが可能である。
【０００４】
一方、最大出力を増加させるために開発された技術としては、過給と呼ばれる技術がある。この技術では、空気を加圧して内燃機関に供給する。こうすれば、多量の空気を供給することができるので、一度に多くの燃料を燃焼させることが可能となり、発生出力を増加させることができる。
【０００５】
更に、過給を行いながら圧縮比を可変とすれば、最大出力と熱効率とを同時に向上させることが可能である。もっとも、過給を行うとノッキングが発生し易くなる傾向があるので、高圧縮比の条件下で過給を行ったのではノッキングの発生が懸念される。こうした点を考慮して、圧縮比の切り換えと過給とを適切に行う技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
また、内燃機関の熱効率を改善させる技術としては、希薄な混合気、すなわち空気に対して燃料割合の少ない混合気を燃焼させる技術も提案されている。更に、過給を行いながら混合気の空燃比を切り換えることで、内燃機関の最大出力と熱効率とを同時に向上させることが可能であり、こうした技術も提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６３−１２０８３０号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１５９６４２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、過給状態の切り換えと、圧縮比の切り換えと、空燃比の切り換えとが同時に可能な場合に、これらの切り換えを適切に行うことで、内燃機関の熱効率と最大出力とを最も効果的に向上させるための方法については、全く知られていなかった。
【０００９】
本発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、過給状態と圧縮比と空燃比とを適切に切り換えることで、内燃機関の熱効率と最大出力とを、同時に且つ効率よく向上させることが可能な技術の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関であって、
前記内燃機関の圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更手段と、
前記混合気に含まれる燃料と空気との比率たる空燃比を少なくとも、燃料と空気とが過不足無く燃焼する理論空燃比状態と、空気に対して燃料が不足した希薄空燃比状態とに変更可能な空燃比変更手段と、
前記燃焼室に空気を加圧して供給する過給状態と、加圧を行うことなく供給する無過給状態とに変更可能な過給手段と、
前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する検出手段と、
前記圧縮比変更手段と前記空燃比変更手段と前記過給手段の各々の動作状態に対応する制御領域を、前記検出した要求トルクに応じて切り換えながら前記内燃機関の制御を行う制御手段と
を備え、
前記制御領域は、
前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態であるとともに前記無過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第１の制御領域と、
前記第１の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態であるとともに前記過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第２の制御領域と、
前記第２の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記希薄空燃比状態の下で前記圧縮比を前記高圧縮比状態よりも低く保ちながら前記過給を行うことによって、前記出力するトルクの制御を行う第３の制御領域と、
前記第３の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記低圧縮比状態で且つ前記理論空燃比状態であるとともに前記過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第４の制御領域と
を備えることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第１の制御方法は、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および混合気の過給状態のそれぞれと、該内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクとの対応関係を記憶しておく第１の工程と、
前記内燃機関の要求トルクを検出する第２の工程と、
前記記憶されている対応関係と前記検出した要求トルクとに基づいて、前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および過給状態を変更しながら該内燃機関を制御する第３の工程と
を備え、
前記第１の工程は、前記対応関係として、
前記要求トルクが所定の第１の閾値より小さい場合には、前記圧縮比が所定の高圧縮比で、前記空燃比が理論空燃比よりも燃料濃度の低い希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行わない状態であり、
前記要求トルクが前記第１の閾値よりも大きく且つ所定の第２の閾値（第２の閾値＞第１の閾値）よりも小さい場合には、前記圧縮比が前記高圧縮比で、前記空燃比が前記希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態であり、
前記要求トルクが前記第２の閾値よりも大きく且つ所定の第３の閾値（第３の閾値＞第２の閾値）よりも小さい場合には、前記圧縮比が所定の低圧縮比で、前記空燃比が前記希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態であり、
前記要求トルクが所定の第３の閾値より大きい場合には、前記圧縮比が前記低圧縮比で、前記空燃比が理論空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態
を記憶する工程であることを要旨とする。
【００１２】
かかる第１の内燃機関および第１の制御方法においては、圧縮比と空燃比と過給状態とが、要求トルクが増加するに従って次のように切り換わっていく。すなわち、（１）高圧縮比で希薄空燃比で過給を行わない状態、（２）高圧縮比で希薄空燃比で過給を行う状態、（３）低圧縮比で希薄空燃比で過給を行う状態、（４）低圧縮比で理論空燃比で過給を行う状態、と切り換わっていく。このようにして切り換えれば、例えば、高圧縮比で希薄空燃比の混合気を過給を行わずに運転しているときに、大きなトルクが要求された場合でも、過給を開始することによって出力トルクを増加させることができる。すなわち、圧縮比が高圧縮比で且つ混合気が希薄空燃比の状態を維持したまま内燃機関を運転することができるので、熱効率を高い値に保っておくことが可能となる。
【００１３】
加えて、このようにして切り換えることとすれば、例えば、高圧縮比状態で希薄空燃比の混合気を過給しながら運転しているときに、更に大きなトルクが要求された場合には、圧縮比を低くするとともに過給圧を増加させることによって出力トルクを増加させればよい。圧縮比を低くすれば、過給圧が増加してもノッキングを発生させることがないので、熱効率を比較的高い値に保ったまま、大きなトルクを出力することが可能である。また、混合気を希薄空燃比としたまま内燃機関を運転することができるので、熱効率の低下を最小限に抑制することが可能である。
【００１４】
更に、こうすれば、混合気が希薄空燃比の状態で圧縮比を切り換えることになる。希薄空燃比の混合気は理論空燃比の混合気に比べてノッキングし難いので、希薄空燃比の状態で圧縮比を切り換えてやれば、何らかの理由で圧縮比の切り換えが多少遅れた場合でも、ノッキングの発生を回避することが可能である。
【００１５】
前記第２の制御領域において、内燃機関が出力するトルクの制御を行うに際しては、いわゆるスロットルバルブの開度を調整することによって制御することとしても良いが、過給の圧力を変更することによってトルクを制御することとしてもよい。また、前記第３の制御領域において、内燃機関が出力するトルクの制御を行うに際しては、低圧縮比状態で混合気を過給する圧力を変更することによって、トルクを制御することとしても良い。
【００１６】
こうすれば、高圧縮比状態で希薄空燃比の混合気を過給しながら、内燃機関が出力するトルクを適切に制御することが可能となるので好ましい。
【００１７】
更に、前記第３の制御領域において、過給の圧力を変更することによってトルクの制御を行う場合には、該過給の圧力が高くなるほど、前記内燃機関の圧縮比を低くすることとしても良い。
【００１８】
一般に内燃機関は、過給の圧力および圧縮比が高くなるほどノッキングし易くなる。従って、過給の圧力が高くなるほど圧縮比を低くしてやれば、ノッキングを発生させることなく過給の圧力を高めて、内燃機関が出力するトルクを増加させることが可能となる。
【００１９】
また、従来技術の有する上述した課題を解決するために、本発明の第２の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、本発明の第２の内燃機関は、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関であって、
前記内燃機関の圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更手段と、
前記混合気に含まれる燃料と空気との比率たる空燃比を少なくとも、燃料と空気とが過不足無く燃焼する理論空燃比状態と、空気に対して燃料が不足した希薄空燃比状態とに変更可能な空燃比変更手段と、
前記燃焼室に空気を加圧して供給する過給状態と、加圧を行うことなく供給する無過給状態とに変更可能な過給手段と、
前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する検出手段と、
前記検出した要求トルクに応じて、前記圧縮比変更手段と前記空燃比変更手段と前記過給手段の各々の動作状態を切り換えながら、前記内燃機関の制御を行う制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記高圧縮比状態であり前記希薄空燃比状態で且つ前記無過給状態の下で前記要求トルクが所定の第１の閾値を超えた場合には、前記過給状態とすることで前記内燃機関が出力するトルクを増加させる手段であることを要旨とする。
【００２０】
上記の内燃機関に対応する本発明の第２の制御方法は、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する第１の工程と、
前記検出した要求トルクとに基づいて、前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および混合気の過給状態を変更しながら該内燃機関を制御する第２の工程と
を備え、
前記第２の工程は、
圧縮比が所定の高圧縮比状態で、且つ空燃比が理論空燃比よりも燃料濃度の低い希薄空燃比状態であり、更に混合気を過給していない状態で前記内燃機関を制御中に、前記要求トルクが所定の第１の閾値を超えた場合には、過給を行うことによって該内燃機関が出力するトルクを増加させる工程であることを要旨とする。
【００２１】
かかる第２の内燃機関および第２の制御方法においては、高圧縮比状態で希薄空燃比の混合気を過給することなく内燃機関を運転しているときに、要求トルクが所定の第１の閾値を超えた場合には、過給を開始することによって、トルクを増加させる。こうすれば、圧縮比が高圧縮比で且つ混合気が希薄空燃比の状態を維持したまま内燃機関を運転することができるので、熱効率を高い値に保っておくことが可能となって好ましい。
【００２２】
こうした第２の内燃機関および第２の制御方法においては、高圧縮比状態で希薄空燃比の混合気を過給しながら内燃機関を運転しているときに、要求トルクが第１の閾値よりも大きな所定の第２の閾値を超えた場合には、次のようにしてトルクを増加させることとしても良い。すなわち、混合気の空燃比を希薄空燃比に保ったまま、圧縮比を低下させつつ、過給の圧力を増加させることによって、トルクを増加させることとしても良い。
【００２３】
こうして、過給の圧力が増加するにつれて圧縮比を低下させれば、ノッキングを発生させることなくトルクを増加させることが可能となる。すなわち、ノッキングの発生に伴う熱効率およびトルクの低下を来すことなく、内燃機関を運転することができるので、結果として、高い熱効率を維持することが可能となる。加えて、こうすれば、内燃機関を希薄空燃比で運転している状態で、圧縮比を切り換えることができるので、例え、何らかの理由で圧縮比の切り換えが多少遅れた場合でも、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００２４】
また、こうした第２の内燃機関および第２の制御方法においては、低圧縮比状態で希薄空燃比の混合気を過給しながら内燃機関を運転しているときに、要求トルクが前記第２の閾値よりも大きな所定の第３の閾値を超えた場合には、混合気を理論空燃比とすることによって、内燃機関の出力するトルクを増加させることとしても良い。
【００２５】
こうすれば、低圧縮比状態で過給の圧力が十分に高くなっている場合であっても、内燃機関の出力するトルクを更に増加させることが可能となるので好適である。
【００２６】
【発明の他の態様】
また、上述の本発明は、次のような態様として把握することも可能である。すなわち、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関であって、
前記内燃機関の圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更手段と、
前記混合気に含まれる燃料と空気との比率たる空燃比を少なくとも、燃料と空気とが過不足無く燃焼する理論空燃比状態と、空気に対して燃料が不足した希薄空燃比状態とに変更可能な空燃比変更手段と、
前記燃焼室に空気を加圧して供給する過給状態と、加圧を行うことなく供給する無過給状態とに変更可能な過給手段と、
前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する検出手段と、
前記検出した要求トルクに応じて、前記圧縮比変更手段と前記空燃比変更手段と前記過給手段の各々の動作状態を切り換えながら、前記内燃機関の制御を行う制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態で更に前記過給状態の下で、前記要求トルクが所定の閾値を超えた場合には、該希薄空燃比状態を保ったまま、前記圧縮比を低下させつつ前記過給の圧力を増加させることによって、前記内燃機関が出力するトルクを増加させる手段であることを要旨とする。
【００２７】
かかる他の態様の内燃機関においても、混合気が希薄空燃比の状態で圧縮比を切り換えることができるので、例え、何らかの理由で圧縮比の切り換えが多少遅れた場合でも、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．エンジン制御の概要：
Ｃ．制御方式の切り換え状況：
Ｄ．変形例：
【００２９】
Ａ．装置構成：
図１は、本実施例のエンジン１０の構成を概念的に示した説明図である。図示されているように、エンジン１０は、大きくは、シリンダヘッド２０と、シリンダブロックＡＳＳＹ３０と、メインムービングＡＳＳＹ４０と、吸気通路５０と、排気通路７０と、過給機構７２と、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）６０などから構成されている。
【００３０】
シリンダブロックＡＳＳＹ３０は、シリンダヘッド２０が取り付けられるアッパーブロック３１と、メインムービングＡＳＳＹ４０が収納されているロアブロック３２とから構成されている。また、アッパーブロック３１とロアブロック３２との間にはアクチュエータ３３が設けられており、アクチュエータ３３を駆動することで、アッパーブロック３１をロアブロック３２に対して上下方向に移動させることが可能となっている。また、アッパーブロック３１の内部には円筒形のシリンダ３４が形成されている。
【００３１】
メインムービングＡＳＳＹ４０は、シリンダ３４の内部に設けられたピストン４１と、ロアブロック３２の内部で回転するクランクシャフト４３と、ピストン４１をクランクシャフト４３に接続するコネクティングロッド４２などから構成されている。これらピストン４１、コネクティングロッド４２、クランクシャフト４３はいわゆるクランク機構を構成しており、クランクシャフト４３が回転するとそれにつれてピストン４１がシリンダ３４内で上下方向に摺動し、逆に、ピストン４１が上下に摺動すればクランクシャフト４３がロアブロック３２内で回転するようになっている。シリンダブロックＡＳＳＹ３０にシリンダヘッド２０を取り付けると、シリンダヘッド２０の下面側（アッパーブロック３１に接する側）とシリンダ３４とピストン４１とで囲まれた部分に燃焼室が形成される。従って、アクチュエータ３３を用いてアッパーブロック３１を上方に移動させれば、これに伴ってシリンダヘッド２０も上方に移動して燃焼室内の容積が増加するので、圧縮比を小さくすることができる。逆に、アッパーブロック３１とともにシリンダヘッド２０を下方に動かせば、燃焼室内の容積が減少して圧縮比を大きくすることができる。
【００３２】
シリンダヘッド２０には、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気ポート２３と、燃焼室内から排気ガスを排出するための排気ポート２４とが形成されており、吸気ポート２３が燃焼室に開口する部分には吸気バルブ２１が、また、排気ポート２４が燃焼室に開口する部分には排気バルブ２２が設けられている。吸気バルブ２１および排気バルブ２２は、ピストン４１の上下動に合わせて、それぞれカム機構によって駆動される。こうしてピストンの動きに同期させて吸気バルブ２１および排気バルブ２２を、それぞれ適切なタイミングで開閉すれば、燃焼室内に空気を吸入したり、あるいは燃焼室内から排気ガスを排出することができる。また、シリンダヘッド２０には、燃焼室内に形成された混合気に火花を飛ばして点火するための点火プラグ２７も設けられている。
【００３３】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート２３まで空気を導くための吸気通路５０と、排気ポート２４からの排気ガスを導くための排気通路７０とが接続されており、また、排気通路７０の途中には過給機構７２が設けられている。過給機構７２は、排気通路７０内に設けられたタービン７３と、吸気通路５０内に設けられたコンプレッサ７４と、タービン７３とコンプレッサ７４とを繋ぐシャフト７５などから構成されている。燃焼室から排出された排気ガスが過給機構７２のタービン７３を回すと、シャフト７５を介してコンプレッサ７４が回転し、吸気通路５０内の空気を加圧して燃焼室に供給する。
【００３４】
また、本実施例の過給機構７２にはアクチュエータ７０が設けられており、タービン７３に排気ガスが流入する部分の開口面積（以下、タービン開口面積と呼ぶ）を変更可能となっている。タービン開口面積を変更すれば、空気の加圧量（過給圧）を制御することができる。また、タービン７３の上流側には、ウエストゲートバルブ７６と呼ばれるバイパス弁も設けられている。ウエストゲートアクチュエータ７７を用いてウエストゲートバルブ７６の開度を調整し、タービン７３をバイパスする排気ガスの割合を制御することで、過給圧を制御することも可能である。
【００３５】
吸気通路５０の上流側端部にはエアクリーナ５１が設けられている。燃焼室内に吸入される空気は、エアクリーナ５１でゴミなどの異物を取り除かれた後、コンプレッサ７４によって加圧され、吸気ポート２３を経由して燃焼室に流入する。吸気通路５０には、スロットルバルブ５２や燃料噴射弁５５などが設けられており、電動アクチュエータ５３でスロットルバルブ５２の開度を制御すれば、燃焼室内に流入する空気量を制御することができる。スロットルバルブ５２の下流側には、吸気通路５０内での圧力変動を吸収するためのサージタンク５６が設けられ、サージタンク５６にはタンク内圧を検出する吸気圧センサ５７が設けられている。燃料は、燃料噴射弁５５から吸気ポート２３に向かって噴射される。噴射された燃料噴霧は、一部が吸気ポート２３内で気化した状態で、残りは燃料噴霧あるいは燃料液膜の状態で燃焼室内に流入した後、燃焼室内で気化しつつ空気と混合して混合気を形成する。
【００３６】
ＥＣＵ６０は、中央処理装置（以下、ＣＰＵ）を中心として、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力回路などが、バスで相互に接続されたマイクロコンピュータである。詳細には後述するが、ＥＣＵ６０は、クランクシャフト４３に設けられたクランク角センサ６１や、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ６２、サージタンク５６に設けられた吸気圧センサ５７などから必要な情報を取り込んで、点火プラグ２７、燃料噴射弁５５、電動アクチュエータ５３などを駆動することにより、エンジン１０全体の動作を制御する。また、スロットルバルブ５２の開度を、電動アクチュエータ５３に内蔵されたスロットル開度センサで検出して制御に利用することも可能である。
【００３７】
Ｂ．エンジン制御の概要：
次に、上述した構成を有するエンジン１０の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ６０がエンジン１０の動作を制御する流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００３８】
ＥＣＵ６０は、エンジン制御ルーチンを開始すると先ず初めに、エンジン１０の運転条件を検出する（ステップＳ１００）。本実施例では、エンジン運転条件として、エンジンの回転速度Ｎe とアクセル開度θac とを検出することとして、クランク角センサ６１の出力からエンジン回転速度Ｎe を算出し、アクセル開度センサ６２を用いてアクセル開度θacを検出する。
【００３９】
次いで、検出したエンジン運転条件に基づいて、要求トルクを算出する処理を開始する（ステップＳ１０２）。エンジンの操作者は、エンジンが出力しているトルクを増やしたいと思えばアクセルペダルを踏み増し、逆にトルクを減らしたいと思えばアクセルペダルを戻す操作を行う。このことから、アクセルペダルの操作量は、操作者がエンジンに要求しているトルクを反映したものと考えられるので、アクセル開度θacから要求トルクを算出することができる。本実施例のステップＳ１０２では、アクセル開度θacと要求トルクとの対応関係を、エンジン回転速度毎に予め求めてマップとして記憶しておき、このマップを参照することによって要求トルクを算出する処理を行う。
【００４０】
要求トルクの算出に続いて、圧縮比を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。ＥＣＵ６０のＲＡＭには、エンジン回転速度と要求トルクとをパラメータとするマップの形式で、適切な圧縮比が予め設定されている。図３は、マップの形式で、適切な圧縮比が設定されている様子を示した説明図である。本実施例のエンジン１０は、圧縮比を高圧縮比状態と低圧縮比状態との二段階に切り換え可能であり、これに対応して、図３に示したマップには、高圧縮比状態（ε＝１３）および低圧縮比状態（ε＝９）の２つの圧縮比が設定されている。もちろん、圧縮比の切り換えは二段階に限定されるものではなく、より多段階に切り換えることも可能である。ステップＳ１０４では、こうしたマップを参照することにより、運転条件に応じた適切な圧縮比を検出し、シリンダブロックＡＳＳＹ３０に組み込まれたアクチュエータ３３を駆動することによって、エンジン１０の圧縮比を設定する処理を行う。
【００４１】
圧縮比の設定に続いて、空燃比の制御目標値を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。ここで空燃比とは、混合気中に含まれる燃料と空気との比率を示す指標であり、混合気中の空気重量を燃料重量で除算した値として定義されている。例えば、混合気中に空気と燃料とが過不足無く燃焼する割合で含まれているとき、その混合気は「ストイキオメトリックな混合気」（省略してストイキ混合気）と呼ばれる。ストイキ混合気の空燃比は、燃料の組成によっても変動するものの、ガソリン燃料であれば通常、１４．７付近の値をとる。また、空気に対して燃料の割合が小さい混合気は「リーン混合気」と呼ばれ、燃料の割合が小さくなるほど（すなわち、混合気がリーンになるほど）空燃比の値は大きな値となる。逆に、空気に対して燃料の割合が大きい混合気は「リッチ混合気」と呼ばれ、燃料の割合が大きくなるほど（すなわち、混合気がリッチになるほど）空燃比の値は小さな値となる。図１を用いて説明したように、本実施例のエンジン１０では、燃料噴射弁５５から燃料を噴射しており、燃焼室内に吸入される空気量に対して燃料の噴射量を変更することで、混合気の空燃比を制御することが可能である。そこで、図２のステップＳ１０４では、空燃比の制御目標値を設定する処理を行うのである。
【００４２】
空燃比の制御目標値を設定する処理は、ＥＣＵ６０のＲＡＭに記憶されているマップを参照することによって行う。空燃比の制御目標値は、エンジン回転速度と要求トルクとをパラメータとするマップとして記憶されている。図４は、ＲＡＭに記憶されているマップを概念的に示した説明図である。図示されているように、空燃比の制御目標値は、ストイキ空燃比に設定されている領域と、リーン空燃比に設定されている領域との大きく二つの領域から構成されている。要求トルクが大きな値を取る場合は、ストイキ混合気を燃焼させることによって十分なトルクを出力し、それ以外の場合は、リーン混合気を燃焼させることによって燃料消費効率を向上させることが可能である。また、リーンの領域は、エンジン１０が適切に運転されるように、エンジン回転速度および要求トルクの組合せに応じて、空燃比１９〜２４の範囲で適切な空燃比が設定されている。
【００４３】
空燃比の設定に続いて、過給圧を設定する処理を行う（ステップＳ１０８）。図１を用いて説明したように、本実施例の過給機構７２は、アクチュエータ７０を駆動してタービン開口面積を変化させ、あるいはウエストゲートアクチュエータ７７を駆動してウエストゲートバルブ７６の開度を調整することにより、過給圧を制御することが可能となっている。そこで、図２のステップＳ１０８では、過給圧の制御目標値を設定する処理を行う。上述した圧縮比、空燃比と同様に、過給圧の制御目標値も、エンジン回転速度と要求トルクとをパラメータとするマップの形式で、ＥＣＵ６０のＲＡＭ内に適切な値が予め設定されている。
【００４４】
図５は、適切な過給圧がマップの形式で記憶されている様子を示した説明図である。図示されているように、本実施例のエンジン１０は、要求トルクの小さい領域では過給を行うことなく運転される。図１に示したウエストゲートバルブ７６を全開状態として、排気ガスを全てバイパス通路に逃がしてやれば、過給を行うことなくエンジン１０を運転することができる。要求トルクがある値以上に大きくなると、少しずつ過給を開始してパーシャル過給を行う。すなわち、要求トルクが大きくなるほどウエストゲートバルブ７６を閉じて、タービン７３に導く排気ガスの割合を増やしてやる。こうすれば、要求トルクに応じて適切な過給圧とすることができる。尚、タービン７３に導かれる排気ガス流量が少ないと過給の効率が低下するので、これを避けるために、流入する排気ガス流量が少ない場合はタービン開口面積を小さな値とし、排気ガス流量が増加するにつれてタービン開口面積を大きな値とする。こうして、要求トルクの増加に合わせてウエストゲートバルブ７６を閉じていくと、ある時点でウエストゲートバルブ７６が全閉状態となって、全ての排気ガスがタービン７３に流入する状態（すなわち、フル過給状態）となる。図２のステップＳ１０８では、図５に示したマップを参照することにより、いずれの過給状態でエンジン１０を制御するかを設定する処理を行う。
【００４５】
続いて、ＥＣＵ６０は燃料噴射制御を開始する（ステップＳ１１０）。かかる制御では、燃焼室内に吸入される空気量を検出し、所定空燃比となる分量の燃料を、燃料噴射弁５５から適切なタイミングで噴射する制御を行う。本実施例では、燃焼室内に吸入される空気量は、吸気圧センサ５７により検出した吸気通路内の圧力に基づいて算出している。もちろん、吸気通路５０内にエアフローセンサを設けてエンジン１０が吸い込んだ空気量を計測してもよく、更には簡便に、エンジン回転速度およびスロットルバルブ５２の開度をパラメータとして吸入空気量を予め計測してマップとして記憶しておき、このマップを参照して空気量を求めることも可能である。こうして求めた空気量に対して、ステップＳ１０６で設定した目標空燃比となるような燃料量を算出する。前述したように、空燃比は空気重量を燃料重量で除算した値として定義されているから、検出した空気量および目標空燃比から燃料量を算出することができる。ステップＳ１１０では、こうして求めた燃料量に対応する期間だけ、所定のタイミングで燃料噴射弁５５を駆動する。こうすることによって、燃焼室内には目標空燃比の混合気が形成されることになる。
【００４６】
燃料噴射制御を終了すると点火制御を開始する（ステップＳ１１２）。点火制御では、適切なタイミングで点火プラグ２７から火花を飛ばすことにより、燃焼室内に形成された混合気に点火する処理を行う。点火のタイミングは、ＥＣＵ６０のＲＯＭに記憶されたマップに基づいて設定される。
【００４７】
図６は、エンジン回転速度と要求トルクとをパラメータとするマップの形式で、適切な点火時期が記憶されている様子を概念的に表している。前述したように、本実施例のエンジン１０は圧縮比を高圧縮比状態と低圧縮比状態とに切り換えることが可能であり、適切な点火時期は圧縮比によって異なった値を取る。このことから、図６に示すように、点火時期のマップは高圧縮比状態（ε＝１３）と、低圧縮比状態（ε＝９）とのそれぞれに用意されている。図２のステップＳ１１２では、現在の圧縮比に対応するマップを参照し、補間演算を行うことによって適切な点火時期を算出する。尚、圧縮比を高低の二段階に切り換えるのではなく、多段階に切り換える場合には、切り換える圧縮比に応じてそれぞれのマップを記憶することとしても良いし、あるいは、異なる圧縮比間で補間演算することによって、該当する圧縮比での点火時期を算出することとしてもよい。
【００４８】
点火制御では、こうしてエンジンの運転条件に応じた点火タイミングを算出した後、クランク角センサ６１の出力に基づいて、適切なタイミングで点火プラグ２７を駆動することにより、燃焼室内の混合気に点火する制御を行う。その結果、混合気が燃焼して燃焼室内の圧力が急激に上昇し、ピストン４１が押し下げられる。この力が、コネクティングロッド４２を介してクランクシャフト４３に伝えられ、クランク機構で回転力に変換されて動力として出力されることになる。
【００４９】
次いで、ＥＣＵ６０は、エンジンを停止する旨が設定されたか否かを確認し（ステップＳ１１４）、停止する旨が設定されていなければステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジンを停止する旨が設定された場合は、そのままエンジン制御ルーチンを終了する。こうして、エンジン１０は、ＥＣＵ６０の制御の下で、図２の制御ルーチンに従って運転され、操作者の設定に応じた動力を発生させる。
【００５０】
Ｃ．制御方式の切り換え状況：
本実施例のエンジン１０は、以上に説明したようにして圧縮比と空燃比と過給状態とを切り換えながら運転される。この結果、熱効率と最大出力とを両立させ、エンジン１０を効率よく運転することが可能となっている。以下、図７を参照しながら説明する。
【００５１】
図７は、熱効率と最大出力とを両立させて、エンジン１０を効率よく運転するべく、圧縮比と空燃比と過給状態とを切り換えている様子を概念的に示した説明図である。図３ないし図５を用いて前述したように、エンジン１０の圧縮比と空燃比と過給状態のそれぞれは、エンジン回転速度と要求トルクとに応じて切り換えられている。これを、圧縮比と空燃比と過給状態との切り換え状態に着目して整理すれば、図７（ａ）に示すように、領域Ａないし領域Ｄの大きく四つの領域に分類することができる。すなわち、高圧縮比でリーン空燃比で尚かつ無過給状態で運転される領域Ａと、領域Ａに対して過給を行う点が異なる（すなわち、高圧縮比でリーン空燃比で尚かつ過給状態で運転される）領域Ｂと、領域Ｂに対して低圧縮比で運転される点が異なる（すなわち、低圧縮比でリーン空燃比で尚かつ過給状態で運転される）領域Ｃと、領域Ｃに対してストイキ空燃比で運転される点が異なる（すなわち、低圧縮比でストイキ空燃比で尚かつ過給状態で運転される）領域Ｄの四つの領域である。ここでは、これらの領域を次々に様にして、要求トルクが次第に増加する場合を例にとって、圧縮比と空燃比と過給状態とが切り変わる様子について説明する。
【００５２】
図７（ｂ）は、エンジン回転速度一定の下で要求トルクを増加させたときに、エンジン１０の圧縮比と空燃比と過給状態とが切り換わる様子を概念的に示した説明図である。要求トルクが小さい条件では、エンジン１０は、領域Ａの状態（すなわち、高圧縮比でリーン空燃比で尚かつ過給無しの状態）で運転され、要求トルクの増減に対してはスロットルバルブ５２を用いてエンジンの出力トルクが調整される。ここでは、要求トルクが次第に増加する場合について考えているから、図７（ｂ）に示すように、スロットルバルブ５２の開度は次第に増加していく。
【００５３】
スロットルバルブ５２が所定開度に達したら、過給を開始する。ここで所定開度は、スロットルバルブ５２を全開とした開度とすることもできるが、全開状態に対して若干の余裕を持たせた開度とすることもできる。全開状態に対して余裕を持たせておけば、例えば、緊急時などにおいても、スロットルバルブ５２を全開状態とすることで直ちにエンジンの出力を増加させることが可能となるので好適である。こうして、過給を開始することによって、エンジン１０の運転状態は領域Ａ（すなわち｛高圧縮比・リーン空燃比・過給なし｝）の状態から領域Ｂ（すなわち｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝）の状態に切り換わる。領域Ｂでは、要求トルクの増減に対しては、過給圧を調整することによってエンジン１０の出力トルクが制御される。前述したように、本実施例のエンジン１０は、ウエストゲートバルブ７６の開度や、タービン開口面積を調整することによって、過給圧を制御することが可能である。ここでは、要求トルクが次第に増加する場合を想定しているから、図７（ｂ）に示すように、過給圧は次第に増加していく。
【００５４】
尚、図７（ｂ）では、領域Ｂにおいてはスロットルバルブ５２の開度が一定値であるものとしているが、スロットルバルブ５２を補助的に用いて出力トルクの調整を行うこととしても良い。例えば、無過給状態から過給状態に切り換えたときに、エンジンの出力トルクがですぎてしまう場合には、スロットルバルブ５２を少し閉じてやることで、トルクの段差を抑制することとしても良い。
【００５５】
領域Ｂではエンジン１０は高圧縮比状態で運転されているので、過給圧が増加すると次第にノッキングが発生し易くなる。そこで、要求トルクが所定値に達したら、圧縮比を、ノッキングが発生し難い低圧縮比状態に切り換える。圧縮比を多段階に切り換え可能な場合は、一番低い圧縮比まで一気に切り換えても良いし、段階的に少しずつ圧縮比を低くしていくこととしても良い。こうして圧縮比を高圧縮比状態から低圧縮比状態に切り換えることにより、エンジン１０の運転状態は、領域Ｂの状態から領域Ｃの状態に切り換わる。領域Ｃにおいても領域Ｂと同様に、要求トルクの増減に対しては過給圧を用いてエンジンの出力トルクを調整する。但し、領域Ｃでは圧縮比が低圧縮比状態に切り換わっているので、ノッキングの発生を懸念することなく、フル過給状態まで過給圧を増加させることができる。尚、図７（ｂ）では、領域Ｂから領域Ｃにかけてスロットルバルブ５２の開度は一定値であるものとしているが、もちろん、圧縮比の切り換えに伴って出力トルクに変動が生じる場合には、スロットルバルブ５２の開度を調整することにより、変動を吸収することとしてもよい。
【００５６】
こうして十分に高い過給圧に達したら、それ以上の要求トルクの増加には過給圧の調整では対応しきれなくなるので、混合気の空燃比をリーン状態からストイキ状態に切り換える。ストイキ混合気はリーン混合気よりも燃料濃度が高いので、混合気の空燃比をリーンからストイキに切り換えることで、より大きなトルクを出力することが可能となる。尚、図４を用いて前述したように、本実施例のエンジン１０ではリーン混合気は空燃比１９〜２４の値を取り、従って、空燃比を切り換えるに際しては、空燃比１４．７のストイキ状態に一気に切り換えることになる。これは、空燃比をリーンからストイキオに近づけるほど、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度が増加するが、リーン状態で排気ガス中の窒素酸化物を浄化することは容易ではないので、エンジンをできるだけリーンな混合気で運転するか若しくは、三元触媒を用いて窒素酸化物を容易に浄化可能なストイキ混合気で運転するためである。
【００５７】
こうして空燃比を一気に切り換えると、エンジンの出力トルクが急に増加してしまう。そこで、図７（ｂ）に示すように、空燃比の切り換えと同時にスロットルバルブ５２を一旦閉じ側に制御することによって、出力トルクが急増することを回避している。尚、図７（ｂ）では、領域Ａから領域Ｃに亘って空燃比は一定値であるものとして表示されているが、これは図示の煩雑化を避けるとともに、本質的ではない部分の表現を簡素化することによって理解の便宜を図ったものであり、実際には図５に示したマップに従って空燃比１９〜２４の範囲で変動している。
【００５８】
こうして空燃比をリーンからストイキに切り換えると、エンジン１０の運転状態は領域Ｃ（低圧縮比・リーン空燃比・過給あり）の状態から領域Ｄ（低圧縮比・ストイキ空燃比・過給あり）の状態に切り換わる。そして領域Ｄにおいては、要求トルクの増減に対しては、スロットルバルブ５２を用いてエンジンの出力トルクが調整される。すなわち、図７（ｂ）に示すように、要求トルクが増加するに従ってスロットルバルブ５２の開度は次第に増加していく。そして、領域Ｄでスロットルバルブ５２が全開状態となったとき、エンジン１０は最大出力状態に達する。
【００５９】
以上に説明したように、本実施例のエンジン１０では、領域Ａ（高圧縮比、リーン空燃比、過給無し）の状態でスロットルバルブ５２がほぼ全開状態の達したら、過給を開始することによって要求トルクの増加に対応する。こうすれば、別図を用いて後述するように、エンジンの熱効率を低下させることなく出力トルクを増加させることが可能である。
【００６０】
また、本実施例のエンジン１０では、領域Ｂから圧縮比を低圧縮比に切り換えて領域Ｃに移行する際に、混合気の空燃比がリーンの状態で圧縮比の切り換えを行っている。一般に、混合気はリーンになるほどノッキングし難くなるので、リーン状態で圧縮比を切り換えてやれば、圧縮比の切り換えが適切な状態から多少ずれるようなことがあっても、ノッキングを発生させることなく圧縮比を切り換えることが可能となる。
【００６１】
そして、要求トルクが大きい場合には、低圧縮比状態でストイキ混合気を十分に高い圧力まで過給してエンジンを運転することにより、ノッキングを発生させることなく十分に大きな出力を発生させることが可能である。
【００６２】
更に、こうして圧縮比と空燃比と過給状態とを切り換えてやれば、エンジン１０を最も効率よく運転することが可能となる。以下では、この点について、図８を参照しながら説明する。
【００６３】
図８は、圧縮比と空燃比と過給状態のそれぞれの組合せ毎に、エンジンの出力トルクと燃料消費量との関係を計測した結果を概念的に示した説明図である。出力トルクが同一の条件では、エンジンの熱効率が高いほど燃料消費量は小さな値を取る。図８中に実線で示しているのは、｛高圧縮比・リーン空燃比・無過給｝の状態で運転したときの、エンジンの出力トルクに対する燃料消費量の変化を示している。尚、図中で「ＮＡ」との表示は無過給状態であることを表しており、「ＴＣ」との表示は過給状態であることを表している。
【００６４】
図中に実線で示されているように、｛高圧縮比・リーン空燃比・無過給｝の状態で運転したとき、エンジンの熱効率は最も高くなる。しかし、リーン空燃比のまま過給も行わずに運転したのでは、小さなトルクしか出力することができず、従って、エンジンをこうした条件で運転したのでは、出力可能なトルクは、領域Ａに示した範囲に限られてしまう。そこで、前述したように、本実施例のエンジン１０は、領域Ａの範囲を超えて大きなトルクを出力しなければならない場合には、過給を行う。
【００６５】
図８中に太い破線で示しているのは、｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝の状態で運転したときの、エンジンの出力トルクに対する燃料消費量の変化を示している。図示されているように、過給の有無は燃料消費量にはほとんど影響を与えることがなく、従って、過給を行えば、高い熱効率を維持したまま出力トルクを増加させることができる。参考として図８中には、｛高圧縮比・ストイキ空燃比・過給なし｝の状態でエンジンを運転したときの、出力トルクに対する燃料消費量の変化を細い破線で示してある。図示されているように、太い破線は細い破線よりも下側に位置している。このことから、領域Ｂでは、太い破線で示した｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝の状態で運転した方が、｛高圧縮比・ストイキ空燃比・過給なし｝の状態で運転するよりもエンジンの熱効率が高くなることが分かる。
【００６６】
こうして、高圧縮比のまま過給圧を増加させると、ある段階でノッキングが発生し始めるので、これを避けるために圧縮比を低くしてノッキングに対するマージンを確保した上で、更に過給圧を増加させる。図８中に示した一点鎖線は、｛低圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝の状態で運転したときの、出力トルクに対する燃料消費量の変化を示している。図示されているように、図上では、一点鎖線は破線よりも上側に位置している。これは、圧縮比を低くしたために、熱効率が低下したことに対応している。しかし、高圧縮比のまま過給を行う破線に示した状態は、ノッキングが発生するために、あまり大きなトルクを出力することはできず、従って、領域Ｃでは一点鎖線で示した状態で運転した場合が、エンジンの熱効率は最も高くなる。
【００６７】
低圧縮比の状態で過給を行えば、過給圧を十分に高くすることができるので、かなり大きなトルクを発生させることができる。もっとも、空燃比をリーンからストイキに切り換えてやれば、更に大きなトルクを出力することが可能である。図８中に示した二点差線は、｛低圧縮比・ストイキ空燃比・過給あり｝の状態で運転したときの、出力トルクに対する燃料消費量の変化を示している。
【００６８】
以上に説明したように、本実施例のエンジン１０では、エンジン１０が出力すべきトルクが増加するに従って、｛高圧縮比・リーン空燃比・過給なし｝の状態から、｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝、｛低圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝と、順番に切り換えており、その結果、領域Ａないし領域Ｃのそれぞれにおいて最も燃料消費量の少ない（従って、熱効率の高い）状態で運転されている。そして、最終的に領域Ｄでは、｛低圧縮比・ストイキ空燃比・過給あり｝と最も大きなトルクを出力可能な状態に切り換えることができる。このため、エンジン１０の熱効率を高く維持したまま、必要な場合には十分に大きなトルクを出力することが可能となるのである。
【００６９】
Ｄ．変形例：
上述した実施例には各種の変形例が存在している。以下では、上述した実施例との相違点に焦点を当てながら、これら変形例について簡単に説明する。
【００７０】
（１）第１の変形例：
上述した実施例では、図３に示したように、圧縮比は高圧縮比状態（ε＝１３）と低圧縮比状態（ε＝９）の二段階に切り換わるものとして説明したが、高圧縮比状態と低圧縮比状態との間で、圧縮比を連続的に変更可能とすることも可能である。図９は、こうした第１の変形例についての説明図である。図９（ａ）は、第１の変形例において、圧縮比がマップの形式で記憶されている様子を示した説明図である。図示されているように、第１の変形例では、高圧縮比の領域と低圧縮比の領域との間に、圧縮比が連続的に変化する遷移領域が設けられている。
【００７１】
図９（ｂ）は、要求トルクを少しずつ増加させた場合に、圧縮比や空燃比、過給状態が切り換わる様子を概念的に示した説明図である。ここでは、圧縮比については図９（ａ）のマップに従って切り換わり、空燃比や過給状態については、それぞれ図４および図５に示したマップに従って切り変わるものとしている。
【００７２】
図７と図９とを比較すれば明らかなように、図７に示した前述の実施例では、領域Ｂから領域Ｃに切り換わる際に圧縮比が高圧縮比状態から低圧縮比状態へと切り換わっているのに対して、図９に示した第１の変形例では、領域Ｃにおいて圧縮比が高圧縮比状態から低圧縮比状態へと連続的に切り換わっている。このように、領域Ｃにおいて圧縮比を少しずつ低くしていけば、過給圧を増加させつつノッキングの発生を回避しながら、エンジンの出力トルクを増加させることが可能となる。こうした第１の変形例では、領域Ｃにおいては、前述した実施例よりも圧縮比が高く設定されることになるので、その分だけエンジンの熱効率を向上させることが可能となる。もっとも、前述した実施例によれば、圧縮比の切り換え制御を簡素なものとすることができるという利点がある。
【００７３】
また、上述した第１の変形例では、領域Ｃ全体が遷移領域となっていて、圧縮比が高圧縮比状態から低圧縮比状態に切り換わるためには、領域Ｃの全範囲を費やすものとして説明した。もっとも、領域Ｃの全範囲を費やすのではなく、より速やかに圧縮比を変更することとしても良い。図９（ｂ）には、このように圧縮比を速やかに変更している様子が破線で表されている。こうすれば、圧縮比の変更速度を適切に設定することにより、複雑な制御を行わずとも、領域Ｃにおいてもできるだけ圧縮比を高く保ちながら、尚かつノッキングの発生を確実に回避することが可能となる。
【００７４】
（２）第２の変形例：
上述した各種実施例では、圧縮比、空燃比、過給状態は、それぞれに専用のマップが用意されており、これら圧縮比などの切り換えは、それぞれの専用マップの設定に従って個別に行われるものとして説明した。従って、圧縮比や空燃比の切り換えに際しては、領域Ａないし領域Ｄの各領域は明示的には識別されることはなく、制御全体として見たときに、結果として各領域が識別されるに過ぎなかった。しかし、領域Ａないし領域Ｄの各領域を明示的に識別しながら、圧縮比や空燃比、過給状態を切り換えることも可能である。以下では、こうした第２の変形例について簡単に説明する。
【００７５】
図１０は、第２の変形例におけるエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。図２に示した前述した実施例のエンジン制御ルーチンに対して、制御状態を設定する処理が含まれている点のみが大きく異なっている。以下、相違点のみに焦点を当てて簡単に説明する。
【００７６】
先ず初めに、エンジン運転条件を検出し（ステップＳ２００）、検出結果に基づいて要求トルクを算出する（ステップＳ２０２）。かかる処理は、図２に示したステップＳ１００およびステップＳ１０２における処理と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００７７】
続いて、第２の変形例のエンジン制御ルーチンでは、エンジンの制御状態を設定する処理を開始する（ステップＳ２０４）。かかる処理は、ＥＣＵ６０に内蔵されたＲＡＭに記憶されているマップを参照することによって行う。図１１は、制御状態を設定する際に参照されるマップを、概念的に示した説明図である。図示されているように、マップには、エンジン回転速度と要求トルクとをパラメータとして、｛高圧縮比・リーン空燃比・過給なし｝、｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝、｛低圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝、｛低圧縮比・ストイキ空燃比・過給あり｝の、それぞれの制御状態が予め設定されている。図１０のステップＳ２０４では、先に検出したエンジン回転速度と算出した要求トルクとに基づいて、図１１のマップを参照することにより、対応する制御状態を設定する。
【００７８】
こうして制御状態が設定されたら、設定された状態に応じて圧縮比、空燃比、過給圧を設定する（ステップＳ２０６ないしステップＳ２１０）。例えば、制御状態が｛高圧縮比・リーン空燃比・過給あり｝と設定されている場合は、リーン空燃比用のマップを参照して制御目標空燃比を設定し、過給あり用のマップを参照して過給圧を設定する。圧縮比については、ここでは高低の二段階に切り換えるものとしているから、制御状態が決まれば直ちに設定すべき圧縮比は決定される。もちろん、圧縮比を多段階にあるいは連続的に変更可能とする場合は、高圧縮比用のマップを用意しておき、このマップを参照することによって圧縮比を設定することとしても良い。
【００７９】
以上のようにして、圧縮比、空燃比、過給圧が設定されたら、図２に示した前述のエンジン制御ルーチンと同様にして燃料噴射制御および点火制御を行う（ステップＳ２１２、およびステップＳ２１４）。次いで、エンジンが停止されたか否かを判断し（ステップＳ２１６）、停止されていなければ、ステップＳ２００に戻って続く一連の処理を行う。こうして、エンジンが停止されるまで上述した処理を繰り返し、ステップＳ２１６においてエンジンの停止を検出したら、図１０に示すエンジン制御ルーチンを終了する。
【００８０】
以上に説明した第２の変形例では、制御状態を設定し、これに基づいて圧縮比や空燃比、過給圧の制御を行う。従って、圧縮比や空燃比などを個別に切り換える場合に比べれば、エンジン制御全体としての統一を容易に取ることができる。このため、例え、切り換え条件を変更する場合でも、制御全体の統一を保ったまま、簡便に変更することが可能となる。
【００８１】
（３）第３の変形例：
上述した各種の実施例では、領域Ｂおよび領域Ｃにおいては、主に過給圧によってエンジンのトルクを制御するものとした。しかし、これに限らず、図１２に実線で示すように、過給圧に加えてスロットルバルブ５２も併用して、エンジンの出力するトルクを制御することとしても良い。こうすれば、エンジンの出力するトルクをより正確に制御することが可能となる。また、スロットルバルブ５２を素早く動かすことで、エンジンの出力トルクを素早く変更することも可能となる。
【００８２】
あるいは、図１２の破線で示したように、主にスロットルバルブ５２を用いてエンジンの出力トルクを制御することとしてもよい。こうすれば、過給機構にウエストゲートバルブ７６が設けられておらず、あるいはタービン開口面積を変更することのできない場合でも、圧縮比と空燃比と過給状態を適切に切り換えることが可能となる。尚、スロットルバルブ５２を用いてエンジンの出力トルクを制御する場合であっても、補助的に過給圧を用いてトルクの制御を行っても良いことは言うまでもない。
【００８３】
（４）第４の変形例：
また、上述した各種の実施例では、領域Ｂから領域Ｃへの切り換えは、要求トルクに応じて行われるものとして説明したが、必ずしも要求トルクに基づいて切り換える必要はない。例えば、ノックセンサなどを用いてノッキングの発生有無を監視しておき、領域Ｂにおいてノッキングの発生が検出されたら、領域Ｃに切り換えることとしても良い。あるいは、吸気圧センサ５７等を用いて過給圧を検出し、過給圧がある値を超えたら領域Ｃに切り換えることとしても良い。
【００８４】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施例のエンジンの構成を概念的に示した説明図である。
【図２】 エンジン運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図３】 エンジン回転速度と要求トルクとに応じて圧縮比が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図４】 エンジン回転速度と要求トルクとに応じて空燃比の制御目標値が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図５】 エンジン回転速度と要求トルクとに応じて過給状態が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図６】 エンジン回転速度と要求トルクとに応じて、圧縮比毎に点火時期が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図７】 本実施例において圧縮比と空燃比と過給状態とが切り換わる様子を概念的に示した説明図である。
【図８】 本実施例において圧縮比と空燃比と過給状態とを切り換えることにより熱効率と最大出力とを同時に向上させることができる理由を示す説明図である。
【図９】 第１の変形例において圧縮比と空燃比と過給状態とが切り換わる様子を概念的に示した説明図である。
【図１０】 第２の変形例におけるエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図１１】 第２の変形例において制御状態を設定する際に参照されるマップを概念的に示した説明図である。
【図１２】 第３の変形例において圧縮比と空燃比と過給状態とが切り換わる様子を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１４…空燃比
２０…シリンダヘッド
２１…吸気バルブ
２２…排気バルブ
２３…吸気ポート
２４…排気ポート
２７…点火プラグ
３０…シリンダブロックＡＳＳＹ
３１…アッパーブロック
３２…ロアブロック
３３…アクチュエータ
３４…シリンダ
４０…メインムービングＡＳＳＹ
４１…ピストン
４２…コネクティングロッド
４３…クランクシャフト
５０…吸気通路
５１…エアクリーナ
５２…スロットルバルブ
５３…電動アクチュエータ
５５…燃料噴射弁
５６…サージタンク
５７…吸気圧センサ
６０…ＥＣＵ
６１…クランク角センサ
６２…アクセル開度センサ
７０…アクチュエータ
７０…排気通路
７２…過給機構
７３…タービン
７４…コンプレッサ
７５…シャフト
７６…ウエストゲートバルブ
７７…ウエストゲートアクチュエータ

Claims (10)

1. 燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関であって、
   前記内燃機関の圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更手段と、
   前記混合気に含まれる燃料と空気との比率たる空燃比を少なくとも、燃料と空気とが過不足無く燃焼する理論空燃比状態と、空気に対して燃料が不足した希薄空燃比状態とに変更可能な空燃比変更手段と、
   前記燃焼室に空気を加圧して供給する過給状態と、加圧を行うことなく供給する無過給状態とに変更可能な過給手段と、
   前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する検出手段と、
   前記圧縮比変更手段と前記空燃比変更手段と前記過給手段の各々の動作状態に対応する制御領域を、前記検出した要求トルクに応じて切り換えながら前記内燃機関の制御を行う制御手段と
   を備え、
   前記制御領域は、
   前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態であるとともに前記無過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第１の制御領域と、
   前記第１の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態であるとともに前記過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第２の制御領域と、
   前記第２の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記希薄空燃比状態の下で前記圧縮比を前記高圧縮比状態よりも低く保ちながら前記過給を行うことによって、前記出力するトルクの制御を行う第３の制御領域と、
   前記第３の制御領域よりも高トルク側に設けられて、前記低圧縮比状態で且つ前記理論空燃比状態であるとともに前記過給状態の下で、前記出力するトルクの制御を行う第４の制御領域と
   を備えている内燃機関。
2. 前記第２の制御領域は、前記過給の圧力を変更することによって、前記出力するトルクの制御を行う領域である請求項１記載の内燃機関。
3. 前記第３の制御領域は、前記低圧縮比状態の下で前記過給の圧力を変更することにより、前記出力するトルクの制御を行う領域である請求項１記載の内燃機関。
4. 前記第３の制御領域は、前記過給の圧力を変更することによって前記出力するトルクの制御を行うとともに、該過給の圧力が高くなるほど前記圧縮比が低い値に制御される領域である請求項１記載の内燃機関。
5. 燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関であって、
   前記内燃機関の圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更手段と、
   前記混合気に含まれる燃料と空気との比率たる空燃比を少なくとも、燃料と空気とが過不足無く燃焼する理論空燃比状態と、空気に対して燃料が不足した希薄空燃比状態とに変更可能な空燃比変更手段と、
   前記燃焼室に空気を加圧して供給する過給状態と、加圧を行うことなく供給する無過給状態とに変更可能な過給手段と、
   前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する検出手段と、
   前記検出した要求トルクに応じて、前記圧縮比変更手段と前記空燃比変更手段と前記過給手段の各々の動作状態を切り換えながら、前記内燃機関の制御を行う制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記高圧縮比状態であり前記希薄空燃比状態で且つ前記無過給状態の下で前記要求トルクが所定の第１の閾値を超えた場合には、前記過給状態とすることで前記内燃機関が出力するトルクを増加させる手段である内燃機関。
6. 請求項５記載の内燃機関であって、
   前記制御手段は、前記高圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態で更に前記過給状態の下で、前記要求トルクが前記第１の閾値よりも大きな所定の第２の閾値を超えた場合には、該希薄空燃比状態を保ったまま、前記圧縮比を低下させつつ前記過給の圧力を増加させることによって、前記内燃機関が出力するトルクを増加させる手段である内燃機関。
7. 請求項６記載の内燃機関であって、
   前記制御手段は、前記低圧縮比状態で且つ前記希薄空燃比状態で更に前記過給状態の下で、前記要求トルクが前記第２の閾値よりも大きな所定の第３の閾値を超えた場合には、前記空燃比を前記理論空燃比状態とすることによって、前記内燃機関が出力するトルクを増加させる手段である内燃機関。
8. 燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および混合気の過給状態のそれぞれと、該内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクとの対応関係を記憶しておく第１の工程と、
   前記内燃機関の要求トルクを検出する第２の工程と、
   前記記憶されている対応関係と前記検出した要求トルクとに基づいて、前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および過給状態を変更しながら該内燃機関を制御する第３の工程と
   を備え、
   前記第１の工程は、前記対応関係として、
   前記要求トルクが所定の第１の閾値より小さい場合には、前記圧縮比が所定の高圧縮比で、前記空燃比が理論空燃比よりも燃料濃度の低い希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行わない状態であり、
   前記要求トルクが前記第１の閾値よりも大きく且つ所定の第２の閾値（第２の閾値＞第１の閾値）よりも小さい場合には、前記圧縮比が前記高圧縮比で、前記空燃比が前記希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態であり、
   前記要求トルクが前記第２の閾値よりも大きく且つ所定の第３の閾値（第３の閾値＞第２の閾値）よりも小さい場合には、前記圧縮比が所定の低圧縮比で、前記空燃比が前記希薄空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態であり、
   前記要求トルクが所定の第３の閾値より大きい場合には、前記圧縮比が前記低圧縮比で、前記空燃比が理論空燃比で、前記過給状態が過給を行う状態
   を記憶する工程である内燃機関の制御方法。
9. 燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによってトルクを出力する内燃機関の制御方法であって、
   前記内燃機関に要求されるトルクたる要求トルクを検出する第１の工程と、
   前記検出した要求トルクとに基づいて、前記内燃機関の圧縮比、空燃比、および混合気の過給状態を変更しながら該内燃機関を制御する第２の工程と
   を備え、
   前記第２の工程は、
   圧縮比が所定の高圧縮比状態で、且つ空燃比が理論空燃比よりも燃料濃度の低い希薄空燃比状態であり、更に混合気を過給していない状態で前記内燃機関を制御中に、前記要求トルクが所定の第１の閾値を超えた場合には、過給を行うことによって該内燃機関が出力するトルクを増加させる工程である制御方法。
10. 請求項９記載の制御方法であって、
    前記第２の工程は、
    圧縮比が前記高圧縮比状態で、且つ空燃比が前記希薄空燃比状態であり、更に混合気を過給している状態で前記内燃機関を制御中に、前記要求トルクが前記第１の閾値より大きな所定の第２の閾値を超えた場合には、圧縮比を低下させつつ過給の圧力を増加させることによって、該内燃機関が出力するトルクを増加させる工程である制御方法。

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